Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ VOIP và ứng dụng vào mạng viễn thông Lào

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

LUAN VAN THAC SY KY THUAT

(Theo định hướng ứng dung)

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYEN CHIEN TRINH

HÀ NỘI - 2019

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYEN CHIEN TRINH

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn Thạc sĩ tại:

(Hà Nội- Hà Đông).

vào lúc: ngày tháng năm 2019.

Có thê tìm hiêu luận văn tại:

1 Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MO DAU

Xác định chat lượng là sức mạnh thu hút khách hang Cùng với sự phát trién của các nước trong khu vực và trên thé giới, Lao đã và đang khang định vị thé của mình với những

sản phẩm và dịch vụ bằng chất lượng Lao đang khang định với những sản phẩm, dịch vụ

có chất lượng cao được cung cấp sang các quốc gia có áp đặt các tiêu chuẩn chất lượng rất khắt khe.

Thế kỷ XXI không chỉ là thế kỷ của công nghệ thông tin mà còn là một kỷ nguyên mới về chất lượng Các phương thức cạnh tranh về số lượng và giá cả không còn được coi là điều kiện tiên quyết trong việc mua bán hàng hóa, sản phẩm dịch vụ Thay vào đó “Chất

lượng” được coi là sức mạnh thu hút khách hàng Chất lượng được coi là chìa khóa cho sự

thành công trong kinh doanh trên thương trường Vì vậy cần coi chất lượng là phương thức cạnh tranh mới tạo cơ hội kinh doanh, giữ vững và chiếm lĩnh thị trường.

Là một cơ quan nhà nước, Bộ Bưu chính viễn thông Lào- nơi Học viên đang công

tác đã sớm nhận thấy tầm quan trọng của chất lượng trong các dịch vụ cung cấp, chính vì

thế trong những năm vừa qua đã giơ cao khẩu hiệu về chất lượng như: Chất lượng là văn

hóa kinh doanh cho các thời kỳ phát triển của các dịch vụ viễn thông cung cấp cho khách

hàng Chát lượng dịch vụ (QoS) là một thành phần quan trọng của các mạng gói đa dịch

vụ Voi sự bùng nồ của Internet, tam quan trong của việc đảm bao QoS ngày càng tăng Tuy nhiên vấn đề đặt ra là để tồn tại và phát triển bền vững, mở rộng và chiếm lĩnh thị trường thì còn cần phải quan tâm nhiều hơn nữa đến tính hoàn thiện của hệ thống quản lý, đặc biệt là hệ thống quan lý chất lượng theo các tiêu chuẩn quốc tế, nhằm thúc day guồng

máy quản lý nói chung và hệ thống quản lý chất lượng nói riêng có hiệu quả hơn.

Xuất phát từ thực tế, nhận thức đó, trong quá trình làm việc tại Bộ Bưu chính viễn

thông Lào, học viên nhận thấy cần nhìn nhận đánh giá chất lượng của dịch vụ đang cung

cấp và cần tạo nhiều điều kiện thuận lợi để áp dụng thành công các hệ thống quản lý chất lượng theo tiêu chuẩn ngành, quốc gia và quốc tế.

Ở một diễn biến khác, VolP ( Voice over Internet Protocol ) chính là một bước tiến

lớn trong công nghệ thông tin VoIP cho phép truyền tiếng nói qua Internet tới mọi nơi trên

thế giới và không phải trả cước viễn thông VoIP là công nghệ sử dụng giao thức mạng IP dựa trên cơ sở ha tầng sẵn có của mạng Internet VoIP là một trong những công nghệ viễn

thông đang được quan tâm nhất hiện nay không chỉ đối với các nhà khai thác, các nhà sản xuất mà còn cả đối với người sử dụng.

Đó cũng là lý do học viên xin chọn dé tài: “Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ VoIP và ứng dụng vào mạng viễn thông Lào” làm dé tài cho luận văn nghiên cứu của mình.

Luận văn bao gồm 3 chương, bố cục các chương và các mục di kém như sau: Chương I: Tổng quan về chất lượng dich vụ và mạng VoIP.

Chương II: Các giải pháp nâng cao chất lượng dich vụ trong VoIP.

Chương HI: Nâng cao chất lượng dịch vu VoIP cho mạng viễn thông Lào.

CHƯƠNG 1.TONG QUAN VE CHAT LƯỢNG DỊCH VỤ VA

MANG VOIP

Chương này trình bay tong quan về công nghệ VoIP dang rat pho biến hiện nay Với những dịch vụ thường thấy của VoIP dựa trên nên mạng IP, cách thức hoạt động cua nó, các ứng dụng trong đời sống, cùng với những wu nhược điểm của công nghệ này Ngoài ra

tim hiểu về hai giao thức báo hiệu VoIP cơ bản là SIP và H.323 Đánh giá các yếu to ảnh

hưởng tới chất lượng dịch vụ trong mạng VoIP bao gom: trễ, jitter, mat gói, băng thông, độ khả dụng

1.1 Giới thiệu về dịch vụ VoIP [3]

VoIP (Voice over Internet Protocol) là công nghệ truyền tải các cuộc liên lạc thoại trên giao thức Internet hay còn gọi là giao thức IP VoIP đang trở thành một trong những

công nghệ hấp dẫn nhất hiện nay không chỉ đối với các doanh nghiệp mà còn cả với những người sử dụng dịch vụ.

Nguyên tắc VolP gồm việc số hoá tín hiệu giọng nói, nén tín hiệu đã số hoá, chia tín hiệu thành các gói và truyền những gói số liệu này trên nền IP Đến nơi nhận, các gói số

liệu được ghép lại, giải mã ra tín hiệu analog dé phuc hồi âm thanh.

1.1.1 Các ứng dung của VoIP [3]

Một số các ứng dụng của VOIP sẽ được đề cập cụ thể dưới đây: - _ Thoại thông minh.

- Dich vụ điện thoại Web.

- _ Truy cập các trung tâm tư van.

- Dich vụ fax qua IP (FoIP - Fax over IP).- Tinh cước cho phía bi gọi.

1.1.2 Mô hình mang VoIP điển hình và các thành phan [3]

Hình 1.1 Mô hình mang VoIP tống quát [3]

1.1.3 Các hình thức truyền thoại qua mang VoIP [1]

Hình 1.4 Cấu hình “Phone to Phone” [3]

1.2 Các giao thức trong VoIP

VoIP can 2 loại giao thức: Signaling protocol và media Protocol.

Signaling Protocol diéu khién viéc cai dat cudc goi Cac loai signaling protocols bao

gom: H.323, SIP, MGCP, megaco/ H.248 và các loại giao thức dùng riêng như UNISTIM,

SCCP, Skype, Cornet-IP,

Media Protocols: điều khién việc truyền tai voice data qua môi trường mang IP Các loai Media Protocols nhu RTP (Real- Time Protocol), RTCP (RTP control Protocol), SRTP(Secure Real-Time Transport Protocol), va SRTCP (Secure RTCP).

Signaling Proctocol nằm ở tang TCP vi cần độ tin cậy cao, trong khi Media Protocol nam trong tang UDP.

1.2.3 MGCP và Megaco/H.248 [2]

MGCP (Media Gateway Control Protocol) được sử dung dé liên lạc giữa các thành

phần riêng lẻ của 1 VoIP gateway tách rời Với MGCP, MGC server có khả năng quản lý

các cuộc gọi và các cuộc đàm thoại dưới sự hỗ trợ của các dịch vụ (services).

1.3 Chất lượng dịch vụ trong VoIP [4]

VoIP sử dụng mạng nền gói (cụ thé là mang IP) để truyền các gói tin thoại qua mạng Tuy nhiên tại nơi thu các gói tin có thé bị mat hay trễ phụ thuộc vào môi trường mạng cụ thể lúc đó: ví dụ như mạng bị lỗi, tắc nghẽn hay gói tin bị trễ qua các thành phần

mạng Điều này làm giảm chất lượng thoại tại đầu thu, và do truyền dẫn thoại là truyền dẫn

thời gian thực nên phía thu không thể yêu cầu mạng truyền lại các gói tin bị mất Do mạng

điện thoại PSTN truyền thống với các đặc điểm ưu việt về chất lượng thoại đã từ lâu trở

thành một phương tiện không thé thiếu trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta nên dịch vụ VoIP phải làm sao cung cấp trong mang PSTN truyền thống.

Chất lượng dịch vụ được hiểu một cách đơn giản là “khả năng của mạng làm thế

nào để đảm bảo và duy trì các mức thực hiện nhất định cho mỗi ứng dụng theo như các yêu cầu đã được chỉ rõ của mỗi người sử dụng” Nhìn chung, chất lượng dịch vụ được quyết định bởi các user ở hai đầu cuối thoại Do đó nhà cung cấp dịch vụ mạng đảm bảo QoS

người sử dụng yêu cầu và thực hiện các biện pháp để duy trì mức QoS khi điều kiện mạng bị thay đổi vì các nguyên nhân như nghẽn, hỏng thiết bị hay sự cố liên kết Chất lượng dịch vụ cũng được phân cấp đề tiện cho các nhà cung cấp dịch vụ tính toán và đảm bảo QoS trong

các kế hoạch truyền dẫn cụ thể của mình.

VoIP QoS: VoIP là sự tích hợp truyền thoại ttrên nền IP Nếu chỉ dựa trên Internet là mang “best effort” thì rõ ràng kỹ thuật VoIP không có van dé QoS thực sự nào (không dam bảo về chất lượng cũng như phân biệt về các loại hình lưu lượng truyền qua mạng này) Thực tế, VoIP đề truyền thoại nên phải đảm bảo thời gian thực, phải cung cấp được mức chat lượng

dịch vụ tương đương với mức chất lượng đã được mạng truyền thống PSTN cung cấp.

14 Cac yếu tố bao gồm trong đo lường chất lượng dich vụ VoIP [4]

Trễ : Đây là thời gian để giọng nói của một người được nghe thấy ở đầu kia của cuộc gọi Nó còn được gọi là độ trễ, một thuật ngữ mà nhiều người dùng máy tính quen thuộc Sự chậm trễ có thê xảy ra trong thời gian tin nhắn thực sự được gui qua mạng hoặc

trong thời gian để tin nhắn rời khỏi hoặc nhập các bộ định tuyến, modem và các thiết bị khác ở hai đầu.

- Jitter : Jitter là một từ khác cho giao tiếp tĩnh hoặc bị cắt xén Khi một mạng VOIP

có số lượng jitter cao, có thê thông tin liên lạc sẽ bị cắt ra ngẫu nhiên, dẫn đến các

từ bị nhỡ Biến dạng tĩnh hoặc khác lạ cũng có thé làm việc theo cách của họ vào cuộc gọi, làm cho nó không thé hiểu những gì đang được nói.

- Mat dữ liệu : Điều này xảy ra khi mạng thực sự mất gói dit liệu Kết quả có thể là

khoảnh khắc âm thanh bị mắt, dẫn đến việc thiếu âm tiết hoặc toàn bộ từ trong cuộc

trò chuyện Nếu cuộc gọi bị mat gói dit liệu nghiêm trọng, có thé sẽ không thể hiểu nhau.

1.5 Kết luận chương

Chất lượng dịch vụ được hiểu một cách đơn giản là “khả năng của mạng làm thế

nào dé đảm bảo và duy trì các mức thực hiện nhất định cho mỗi ứng dụng theo như các yêu cầu đã được chỉ rõ của mỗi người sử dụng” Nhìn chung, chất lượng dịch vụ được quyết

định bởi các user ở hai đầu cuối thoại Do đó nhà cung cấp dịch vụ mạng đảm bảo QoS

người sử dụng yêu cầu và thực hiện các biện pháp dé duy trì mức QoS khi điều kiện mang

bị thay đổi vì các nguyên nhân như nghẽn, hỏng thiết bị hay sự có liên kết Chat lượng dich vụ cũng được phân cấp để tiện cho các nhà cung cấp dịch vụ tính toán và đảm bảo QoS

trong các kế hoạch truyền dẫn cụ thể của mình Đối với các nhà cung cấp dịch vụ truyền

thông, chất lượng dịch vụ thường được đánh giá bằng các phương pháp phản hồi từ phía khách hàng Phương pháp này không mang lại hiệu quả cao khi mà tính phức tạp và

phạm vi của các mạng viễn thông hiện đại ngày một tăng, đòi hỏi một phương pháp có

tính tổng thé dé đánh giá một cách toàn diện cho dich vụ thoại.

CHƯƠNG 2.CÁC GIẢI PHAP NÂNG CAO CHAT LƯỢNG DỊCH

VỤ TRONG VOIP

Các khó khăn lớn nhất mà thoại IP phải đối mặt có thể tóm tắt lại như sau:

- Tré gây ảnh hưởng đến tính tương tác của dịch vụ thoại Với VoIP, khuyến nghị đưa ra là trễ một chiều nhỏ hơn 150ms (G.114 của ITU- T).

- Mat gói ảnh hưởng đến chất lượng cảm nhận của người nghe.

- _ Biến động trễ (jitter) gây can trở đến tính tuần tự và liên tục của luồng thông tin đa phương tiện.

Van đề nghe có vẻ đơn giản và được giải quyết triệt để nếu mở rộng băng thông thật lớn và như thế sẽ giảm được trễ Nhưng với nhà khai thác là cả vấn đề, cũng như câu hỏi

đặt ra là tại sao người ta không xây dựng hệ thống giao thông thật lớn để không phải lo tắc đường nữa? Đến đây thì ta nhận thấy rằng tiền cho đầu tư xây dựng mạng không nhỏ, ai có

thé xây dựng lại cơ sở mạng Internet toàn cầu trong một sớm một chiều? Bài toán kinh tế

đặt ra phải khai thác hiệu quả những gì đã có, việc xây dựng mạng với QoS đáp ứng mọi

yêu cầu là việc làm tiếp theo trong tượng lai.

Từ những gì đã phân tích ở trên thì các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ

thoại IP cũng như các dịch vụ đa phương tiện triệt dé nhất là xây dựng một mạng với QoS

dam bảo Các giải pháp như tích hợp các cơ chế dé giải quyết van dé trễ, biến động trễ và

mắt gói ở bộ phát và thu sẽ giải quyết được phần nào nhưng tại thời điểm này xem ra lại có

vẻ khả thi nhất do đơn giản, dau tư ít và có thé thực hiện được ngay do không yêu cầu thay đối cơ sở hạ tang mang Đó chính là những gì chúng ta đã phân tích khi đưa ra các thông số

của QoS, giải pháp là các ứng dụng tự bổ sung QoS dé dam bảo chất lượng dịch vụ.

2.1 Giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ QoS [4]

Xây dựng một mang có QoS hay bổ sung QoS vào mạng có sẵn?

Như vậy có hai lựa chọn dé nhận được QoS cho người sử dụng và cho ứng dụng, đó là xây dựng một mạng có QoS hoặc là thêm QoS vào trong mạng có sẵn Điều này thực chất không có gì khác hon là cân nhắc giữa việc có sin QoS ở trong mang và việc thêm QoS ở

cấp ứng dụng ở bên ngoài mạng.

Phương pháp thứ nhất, trong đó người sử dụng nói với mạng họ muốn gi, là phương

pháp được thực hiện bởi hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ PSTE Phương pháp thứ hai,

trong đó người sử dụng thêm QoS của chính họ và chỉ tin tưởng mạng không gì hơn là ở các kết nối, đây chính là triết lý của Internet.

Đối với các nhà cung cấp dịch vụ ngoài cách đơn giản là thêm băng thông thì chỉ có

ba cách dé giải quyết nghẽn và thiéu tài nguyên trên mang Và chi một trong các cách này cũng đòi hỏi phải tiêu tốn một số tiền lớn dé thêm một thông số QoS cụ thể vào một mang

như mạng Internet.

2.2 Giải pháp co dẫn thang thời gian

TSM là kỹ thuật thay đổi hay co dan về mặt thời gian (vi dụ một đoạn thoại nói trong khoảng thời gian t nào đó nhưng ở bộ thu được đọc ra trong khoảng thời gian là t’) Kỹ thuật nay được sử dụng dé tăng chất lượng thoại, nó làm thay đổi tốc độ cảm nhận về các đoạn được ghép nối mà không ảnh hưởng đến « pitch» hoặc tính dé hiểu của thoại Sự co dan theo thời gian có thé phân thành 2 loại : nén theo thời gian (hay giảm tốc độc phat lại đoạn thoai).

Co dan thang thời gian cho phép nghe nhanh hon hoặc chậm hon tốc độc ghi Mục dich của dan theo thời gian trong hau hết các trường hợp là dé giảm tốc độ phat âm cho rõ

rang dé giúp cho việc hiểu rõ hơn đoạn thoại với thông tin quan trọng như địa chỉ, số điện

thoại Với thoại IP, kỹ thuật TSM đã được sử dụng cho việc đọc ra thích nghi bởi phương

pháp co dãn theo thời gian đối với từng gói thoại hay còn gọi thay đổi tốc độ đọc ra [7] Nó

cũng được sử dụng để che dấu mất gói hoặc che dấu trễ cho ứng dụng thoại IP [14] Hơn

nữa có thé thay đối tốc độ phát lại của file audio nén theo chuẩn MPEG bằng kỹ thuật TSM.

Về mặt thực tế ta thấy, một đoạn thoại nói trong khoảng thời gian t nào đó, khi được

đọc lại trong khoảng thời gian t’ (tức là đã dan ra nếu t<t’ hoặc co lại nếu t>t') thì cảm nhận

của người nghe về nội dung lời thoại vẫn rõ ràng (thực tế cho thấy khi nén đoạn thoại xuống 50% hay dãn ra 20% thì vẫn đạt chất lượng nghe tốt) Hơn nữa nếu như trong một câu có từ nói nhanh, có từ nói chậm thi người nghe cũng không cảm nhận thấy sự bat bình thường gi, Hình dưới đây cho thấy ý tưởng che dau mat gói dựa trên kỹ thuật TSM.

(a) 7 2| 3| “ | 5 | 6 7 | Đọc ra ly tưởng

(b) | 1 2 | a 4 |5|6| 7 Gói thứ tư đến trễ

(c) | i) e ii 3 5 6 | 7 Gới ther tư bị mat

Hình 2.1 Che dấu mat gói dựa trên kỹ thuật TSM [14]

Kỹ thuật TSM mô tả như hình trên cho thấy tốc độ thoại chỉ thay đổi từ gói 2 đến gói

6, trong đó gói thứ 2, và thứ 3 được đọc ra chậm gấp rưỡi tốc độ chuẩn (tốc độ khi nói) va gói thứ 5, thứ 6 đọc ra với tốc độ nhanh gấp đôi tốc độ chuẩn Ví dụ nếu như 7 gói chứa nội

dung một câu nói (giả sử tốc độ nói các từ trong câu là đều) thì khi phát lại, trong câu đó ta sẽ nghe thấy có từ nói nhanh từ nói chậm Điều này thì khi người nghe khó mà cảm nhận

được đó là do người nói hay do hệ thống gây nên.

2.2.1 Cơ chế đệm và chương trình đọc ra

2.2.1.1 Vai trò của bộ đệm và phương pháp giải quyết biến động trễ

Hình dưới đây mô tả hai trường hợp không có bộ đệm và có bộ đệm.

Phương pháp chung dé điều khiến đọc ra các gói được thực hiện bằng bộ đệm đọc ra ở bộ thu dé hấp thu biến động trễ trước khi luồng audio đọc ra Khi sử dụng kỹ thuật hap thu biến động trễ, các gói không đọc ra ngay lập tức khi nhận được mà giữ chúng trong bộ

đệm và được đọc ra theo thời gian được lập trình Kỹ thuật này sẽ tăng thêm trễ cho các gói

đến sớm nhưng nó cho phép sử dụng được các gói đến có độ trễ cao thay vì các gói này coi như bị mất nếu không sử dụng có chế đệm đọc ra Lưu ý rằng có sự cân bằng (thỏa hiệp) giữa thời gian trung bình mà các gói lưu trong bộ đệm (trễ bộ đệm) và số các gói bị mat (do đến quá muộn).

Thời hạn cuối cùng (deadline) cho gói đến trễ mà tăng thì có thé đọc ra nhiều gói hơn, nghĩa là tỷ lệ mat thấp nhưng đồng thời giá phải trả cho trễ bộ đệm cũng cao hơn Trễ bộ đệm góp phan đáng kề làm tăng trễ đầu cuối- đầu cuối, mà điều này yêu cầu rất chặt chẽ dé không anh hưởng đến tính chat dịch vụ (nhất là với các dich vụ thời gian thực như thoại).

2.2.1.2 Phương pháp đọc ra cô định và thích nghỉ

Hình dưới minh họa 3 cơ chế thiết lập chương trình đọc cơ bản Hình vẽ cho thấy trễ của các gói thoại mạng như đường chấm cham và trễ đọc ra như đường nét liền Các gói đến

sau thời hạn cho phép (nằm trên đường nét liền) sẽ coi như là mat.